[論文レビュー] Tunable creation of pure spin supercurrents via Rashba spin-orbit coupling with Pt/Co/Pt spin sinks

Kun-Rok Jeon, X. Montiel+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、Pt/Co/Ptスピンサクションにおいてラシュバスピン軌道結合を介したニオブium (Nb) におけるチューナブルな純スピンスーパーキャリアを実証した。ここで、スーパーキャリア効率はCo層の磁化方向の切り替えによって制御される。弱いスピン軌道結合（SOC）を有するCuスパッタを挿入することで、ラシュバ型SOCが純スピンスーパーキャリアの生成および伝送に不可欠であることが確認された。これにより、垂直方向のスピンスーパーキャリアチャネルを介して制御可能な横方向スピン波伝搬を有するゲート式超伝導スピン波デバイスの実現が可能になった。

ABSTRACT

Recent ferromagnetic resonance experiments and theory of Pt/Nb/Ni8Fe2 proximity-coupled structures strongly suggest that spin-orbit coupling (SOC) in Pt in conjunction with a magnetic exchange field in Ni8Fe2 are the essential ingredients to generate a pure spin supercurrent channel in Nb. Here, by substituting Pt for a perpendicularly magnetized Pt/Co/Pt spin-sink, we are able to demonstrate the role of SOC, and show that pure spin supercurrent pumping efficiency across Nb is tunable by controlling the magnetization direction of Co. By inserting a Cu spacer with weak SOC between Nb and Pt/(Co/Pt) spin-sink, we also prove that Rashba type SOC is key for forming and transmitting pure spin supercurrents across Nb. Finally, by engineering these properties within a single multilayer structure, we demonstrate a prototype superconducting spin-wave (SW) device in which lateral SW propagation is gateable via the opening or closing of a vertical pure spin supercurrent channel in Nb.

研究の動機と目的

• 超伝導性Nbにおける純スピンスーパーキャリアの生成に寄与するスピン軌道結合（SOC）の役割を調査すること。
• ラシュバ型SOCがNbを横切る純スピンスーパーキャリアの形成および伝送に不可欠であるかどうかを特定すること。
• Pt/Co/Ptスピンサクション内のCo層の磁化方向を制御することで、スピンスーパーキャリア効率をチューニングできることを示すこと。
• 垂直方向の純スピンスーパーキャリアチャネルを介して、横方向スピン波伝搬を制御可能なゲート式超伝導スピン波デバイスを設計すること。

提案手法

• スピンスーパーキャリア生成の基盤を確立するため、フェリ磁性共鳴実験と理論的モデリングを用いてPt/Nb/Ni8Fe2構造を分析した。
• スピンスーパーキャリア効率の制御を可能にするために、Ni8Fe2を垂直磁気異方性を有するPt/Co/Ptスピンサクションに置き換えた。
• NbとPt/(Co/Pt)スピンサクションの間に弱いSOCを有するCuスパッタを挿入し、ラシュバ型SOCがスピンスーパーキャリア伝送に果たす役割を分離して特定した。
• スピンサクション、スパッタ、Nbを統合したマルチレイヤー構造を設計し、機能的な超伝導スピン波デバイスの実証を行った。
• Co層の磁化状態を切り替えることで、垂直方向の純スピンスーパーキャリアチャネルのオン／オフを制御し、スピン波伝搬を制御した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pt/Co/Ptスピンサクションにおけるラシュバスピン軌道結合を用いたNbにおける純スピンスーパーキャリアの生成とチューニングは可能か？
• RQ2 ラシュバ型スピン軌道結合は、Nbを横切る純スピンスーパーキャリアの形成および伝送に不可欠か？
• RQ3 Co層の磁化方向を操作することで、スピンスーパーキャリアポンピング効率を制御できるか？
• RQ4 設計されたSOCおよび磁気的性質を有するマルチレイヤー構造は、ゲート式超伝導スピン波デバイスの実現を可能にするか？

主な発見

• Pt/Co/Ptスピンサクション内のCo層の磁化方向を切り替えることで、Nbを横切る純スピンスーパーキャリアポンピング効率がチューニング可能であることが確認された。
• NbとPt/(Co/Pt)スピンサクションの間に弱いSOCを有するCuスパッタを挿入することで、ラシュバ型スピン軌道結合が純スピンスーパーキャリア伝送に不可欠であることが裏付けられた。
• Pt/Co/Pt構造にラシュバ型SOCが存在することで、Nb内に純スピンスーパーキャリアチャネルが形成され、Coの磁化状態によってオン／オフが可能になる。
• 横方向スピン波伝搬が垂直方向の純スピンスーパーキャリアチャネルのオン／オフによって制御可能な、プロトタイプの超伝導スピン波デバイスが実証された。